王 偉，周子樂

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

引 言

加納某漁港碼頭升級(jí)改造項(xiàng)目，漁碼頭設(shè)計(jì)船型為4種主機(jī)功率為60～600 HP的漁船，因業(yè)主方提供的船型資料有限，且現(xiàn)行的水運(yùn)工程行業(yè)規(guī)范中對(duì)船型尺度的參考數(shù)據(jù)，特別是船舶受風(fēng)荷載的面積資料，均是適用于集裝箱船、貨船等大型船舶，缺乏對(duì)漁船等小型艦船的統(tǒng)計(jì)。本文在研究和對(duì)比了國(guó)際上幾種常用的規(guī)范、手冊(cè)中的建議方法，總結(jié)了適用于本項(xiàng)目船型的設(shè)計(jì)參數(shù)，較為合理地計(jì)算了作用在漁船上的風(fēng)荷載。

1 項(xiàng)目背景及設(shè)計(jì)船型

本項(xiàng)目為加納某漁港升級(jí)改造項(xiàng)目，水上工程內(nèi)容包括新建漁碼頭、防波堤、護(hù)岸及修船滑道等，以及舊防波堤的升級(jí)改造；陸上工程則是港區(qū)內(nèi)管理區(qū)、輔建區(qū)和生活區(qū)的建構(gòu)筑物。其中漁碼頭為重力式方塊結(jié)構(gòu)，岸線總長(zhǎng)度477 m，包括15個(gè)60 HP漁船泊位、4個(gè) 100 HP漁船泊位和 1個(gè)600 HP漁船泊位。

本項(xiàng)目業(yè)主方提供的設(shè)計(jì)代表船型共4種，資料見表1。

表1 業(yè)主方提供的設(shè)計(jì)代表船型尺度

由表 1可知本項(xiàng)目業(yè)主方提供的船型資料較少，不能直接用于碼頭系靠泊設(shè)計(jì)。首先參考《漁港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C提供的漁船船型尺度表，選擇最為接近的船型信息將本項(xiàng)目設(shè)計(jì)船型尺度進(jìn)一步補(bǔ)充完整，見表2。

表2 設(shè)計(jì)漁船船型尺度（《漁港碼頭總體規(guī)范》補(bǔ)充）

《漁港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C提供船型資料較為有限，僅包含17艘漁船的實(shí)際資料[1]，鑒于漁船種類、形式和尺度的多樣性，參考附錄C補(bǔ)充的信息有可能與真實(shí)情況不完全符合，且《漁港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》中并未直接提供漁船受風(fēng)面積的統(tǒng)計(jì)資料。

漁船風(fēng)荷載計(jì)算的尤為重要的就是相對(duì)準(zhǔn)確地確定設(shè)計(jì)船舶的受風(fēng)面積。參考目前常見的國(guó)內(nèi)、國(guó)際規(guī)范、手冊(cè)，受風(fēng)面積的確定方法主要方法可分為兩大類，后文將分別論述。

2 漁船受風(fēng)面積計(jì)算

2.1 規(guī)范、手冊(cè)設(shè)計(jì)參考值

目前國(guó)內(nèi)、國(guó)際主流規(guī)范、手冊(cè)中有漁船受風(fēng)面積統(tǒng)計(jì)資料的為數(shù)不多，本文選擇了最具代表性的國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)（PIANC）出版的《港口航道設(shè)計(jì)指南》、澳大利亞游艇碼頭規(guī)范和美國(guó)海軍系泊設(shè)計(jì)手冊(cè)DM 26-6作為參考。

1）PIANC出版《港口航道設(shè)計(jì)指南》

國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)（PIANC）出版的《港口航道設(shè)計(jì)指南》附錄C.1典型船舶尺度表中列出了一系列漁船（載重量范圍15～7 500 t）的主要尺度，同時(shí)給出了船舶側(cè)面的受風(fēng)面積，分滿載和壓載兩種情況[2]，見表3。

表3 《港口航道設(shè)計(jì)指南》漁船受風(fēng)面積

《港口航道設(shè)計(jì)指南》中提供的典型設(shè)計(jì)船型尺度，和業(yè)主提供的船型資料相比，在船長(zhǎng)相同的情況下，型寬和吃水都有較大差異；同時(shí)較小型船舶的受風(fēng)面積在指南中并未提供。

2）澳大利亞游艇碼頭標(biāo)準(zhǔn)AS 3962-2001

澳大利亞游艇碼頭設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) AS 3962-2001根據(jù)船型資料統(tǒng)計(jì)，給出了小型游艇的受風(fēng)面積參考值[3]，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)船型參考AS 3962規(guī)范4.8.3.2節(jié)船舶的受風(fēng)面積見表4。

表4 澳大利亞游艇碼頭標(biāo)準(zhǔn)AS 3962-2001漁船受風(fēng)面積

美國(guó)海軍系泊設(shè)計(jì)手冊(cè) DM 26-6將搜集到的船舶按用途、尺度不同賦予不同代號(hào)，分別列出每種船舶的縱向和橫向受風(fēng)面積，而受風(fēng)面積也是根據(jù)資料采用求積儀計(jì)算，同時(shí)考慮10 %的增大，作為欄桿、桅桿和其他附屬物增加的受風(fēng)面積[4]。但該手冊(cè)計(jì)列的船舶類型以軍用艦船、輔助船艇為主，較少涉及民用船舶，如果僅僅因?yàn)闈O船和軍用艦艇的上部結(jié)構(gòu)布置形式有類似之處，參考 DM 26-6的船舶受風(fēng)面積，也會(huì)和實(shí)際有較大差別，因此在這里不再贅述。

綜上所述，僅澳大利亞AS 3962規(guī)范能對(duì)所有設(shè)計(jì)船型給出受風(fēng)面積參考值，但這本規(guī)范涵蓋的主要對(duì)象是游艇，游艇的上部結(jié)構(gòu)布置和漁船還是存在一定差異（關(guān)于此問題下文會(huì)作比較）；PIANC規(guī)范中則沒有列出船舶橫向的受風(fēng)面積。因此還有必要了解通過其他船型尺度參數(shù)來估算受風(fēng)面積的方法。

2.2 根據(jù)船長(zhǎng)、平均型深等參數(shù)估算受風(fēng)面積

早期的一些規(guī)范、手冊(cè)對(duì)中小型船舶受風(fēng)面積進(jìn)行估算時(shí)，使用了平均型深（average profile height）的概念，定義船的平均型深為受風(fēng)面積和船長(zhǎng)的比值，并給出參考曲線（見圖 1），其中船舶的長(zhǎng)度范圍從20 ft到100 ft。

1986年出版的《Power and Motor Yacht（汽艇和摩托艇）》雜志刊登了 10種常見的小型船舶的縱向剪影（見圖 2），其中包括游艇、快艇及拖輪等。Russell H.使用求積儀對(duì)這些船舶剪影的面積進(jìn)行了計(jì)算，并除以相應(yīng)的船舶長(zhǎng)度，得到船舶平均型深。在計(jì)算投影面積時(shí)還考慮了兩種情況：

1）投影面積只包括船身、甲板和船艙邊緣的外輪廓；

2）除了上述提到的面積，還包括了甲板上欄桿和船艙懸挑包圍的面積，因?yàn)橥ǔ跅U區(qū)域是用帆布包覆、封閉起來的，增大了外輪廓面積。

圖1 船舶型深和船長(zhǎng)的關(guān)系[5]

圖2 船舶類型描述和剪影（1986年）[5]

按上述兩種測(cè)量方式分別計(jì)算的船舶型深及平均值見表5。

從計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，小型船舶的平均型深和船長(zhǎng)的比值在 10 %～20 %這個(gè)范圍之間。比值在20 %以上的船型，如Trawler（拖網(wǎng)漁船）、Sedan cruiser（游艇）和 Tug/lobster boat（捕蝦船），都是甲板以上有較大駕駛艙或客艙的船型。這里也體現(xiàn)了上文提到的普通游艇和漁船上部結(jié)構(gòu)的區(qū)別，一般游艇甲板以上的駕駛室和漁船相比明顯偏小，只有比較豪華型的游艇，如Sedan cruiser甲板以上除了駕駛室，還有較大的客艙，才能達(dá)到和拖網(wǎng)漁船等近似的投影面積。

表5 10種船型的平均型深測(cè)量值[5]

作者將上述實(shí)際測(cè)量的船長(zhǎng)與平均型深的關(guān)系和幾種規(guī)范建議的曲線疊加在一起進(jìn)行對(duì)比（見圖3）可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于船長(zhǎng)10 m（30 ft）以下的小型船舶，采用規(guī)范建議的曲線計(jì)算的受風(fēng)面積與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)相比還略偏大；但對(duì)于船長(zhǎng)20 m（60 ft）以上的船舶，實(shí)測(cè)的船舶受風(fēng)面積比參考計(jì)算值大50 %以上。因此 Russell建議對(duì)于船長(zhǎng)大于 20 m（60 ft）以上的船舶，參考上文提到的美國(guó)海軍的系泊手冊(cè)更合適。

圖3 計(jì)算平均型深和規(guī)范建議曲線對(duì)比[5]

2）美國(guó)國(guó)防部UFC-4-152-07手冊(cè)

美國(guó)國(guó)防部的小型船舶系泊設(shè)施設(shè)計(jì)手冊(cè)（UFC-4-152-07）也有類似的建議，船舶的平均型深可取為船長(zhǎng)的15 %[6]。

3）Bruce O.更新的船長(zhǎng)-平均型深關(guān)系曲線（H-L曲線）

隨著游艇、漁船、工作船等中小型船舶的船型尺度不斷加大，原先的參考曲線（圖 1）在船長(zhǎng)較大的部分有了較大的改變。Bruce O.在自己的著作中建議使用根據(jù)自己的研究更新的H-L曲線[7]，根據(jù)此曲線計(jì)算的受風(fēng)面積相比之前增加50 %～100 %。

圖4 船舶型深和船長(zhǎng)的關(guān)系[7]

根據(jù) Tobiasson的研究成果，由船舶的長(zhǎng)度計(jì)算平均型深，進(jìn)而得到船舶縱向和橫向受風(fēng)面積，計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 參考H-L曲線計(jì)算船舶受風(fēng)面積

從計(jì)算結(jié)果可以看出，船舶縱向受風(fēng)面積和PIANC規(guī)范及AS 3962的參考值比較接近，但橫向受風(fēng)面積相差較大。造成這種差異的原因是業(yè)主給出的船舶型寬和 PIANC規(guī)范的型寬參考值相比，明顯偏小，故造成橫向受風(fēng)面積計(jì)算值也偏小。

4）從漁船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面考慮

影響船舶上的風(fēng)荷載，特別是縱向風(fēng)荷載，最主要因素是上層結(jié)構(gòu)的形狀和類型，從漁船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度，由于漁船經(jīng)常在風(fēng)浪中作業(yè)，受風(fēng)面積過大，會(huì)帶來大幅度橫傾，在穩(wěn)性上也會(huì)帶來不利的后果。賈復(fù)在漁船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的專著中提出漁船的水線上側(cè)投影面積與水線下面積之比一般約在1.2～1.8左右，其中大、中型拖網(wǎng)漁船約在 1.3～1.6左右，小型拖網(wǎng)漁船約在1.5～1.8左右[8]。船體水線下的面積按滿載吃水與船長(zhǎng)或船寬的乘積來估算，則漁船受風(fēng)面積估算值見表7。

表7 參考《漁船設(shè)計(jì)》建議計(jì)算船舶受風(fēng)面積

分析上述計(jì)算結(jié)果，400 HP和600 HP兩種較大的船型計(jì)算受風(fēng)面積比規(guī)范參考值和H-L關(guān)系曲線計(jì)算值相比略大，而60 HP和100 HP兩種較小的船型計(jì)算值偏小；橫向受風(fēng)面積與H-L曲線計(jì)算結(jié)果比較接近，和規(guī)范參考值相差較大，原因同樣是業(yè)主給出的船舶型寬明顯偏小。鑒于這種方法公式簡(jiǎn)單，經(jīng)驗(yàn)成分較大，計(jì)算結(jié)果僅用來與其他方法進(jìn)行比較。

2.3 船舶受風(fēng)面積總結(jié)

總結(jié)上述三種方法計(jì)算的船舶縱向、橫向受風(fēng)面積，船舶縱向受風(fēng)面積采用了 PIANC規(guī)范和澳洲規(guī)范的計(jì)算數(shù)值，在100 HP和400 HP船型上采用了規(guī)范中較大等級(jí)船型的數(shù)值，計(jì)算結(jié)果偏保守。橫向受風(fēng)面積則主要考慮尊重業(yè)主提供的船型數(shù)據(jù)，采用了Bruce O.提出的H-L曲線法計(jì)算數(shù)值。設(shè)計(jì)中采用的船舶受風(fēng)面積見表8。

表8 設(shè)計(jì)采用漁船受風(fēng)面積

3 漁船風(fēng)荷載計(jì)算

根據(jù)風(fēng)荷載產(chǎn)生的原因及其作用機(jī)理，作用在船舶上的風(fēng)荷載可表示為作用在船體表面的拖曳力的形式，其中最重要的參數(shù)為拖曳系數(shù)和設(shè)計(jì)風(fēng)速。對(duì)于拖曳系數(shù)，不同規(guī)范中規(guī)定了不同的參考值，而設(shè)計(jì)風(fēng)速的差異體現(xiàn)在采用風(fēng)速的持續(xù)時(shí)間在不同規(guī)范中的定義不一致。

上節(jié)確定了船舶的受風(fēng)面積，本節(jié)主要選取合適的公式計(jì)算作用在船舶上的風(fēng)壓力。張建僑等分別采用OCIMF規(guī)范、美國(guó)海軍MIL-HDBK手冊(cè)和《港口工程荷載規(guī)范》中的公式計(jì)算了風(fēng)壓力[9]，但這三本規(guī)范的范圍都不包括漁船等小型船舶，故直接套用可能會(huì)造成偏差。本文在計(jì)算受風(fēng)面積時(shí)主要采納了PIANC規(guī)范、澳大利亞AS 3962規(guī)范以及Bruce O.的研究成果，故風(fēng)壓力計(jì)算也主要使用以上資料的推薦方法。

1）澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS 3962-2001

澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定作用在船舶上的風(fēng)壓可用下式計(jì)算：

式中：V為設(shè)計(jì)風(fēng)速，規(guī)范規(guī)定使用持續(xù)時(shí)間30 s的平均風(fēng)速，取為30 m/s。

作用在船舶上的風(fēng)力按下式計(jì)算：

式中：CD為拖曳系數(shù)，作用在船側(cè)和船首（船尾）的值都取為1.1；A為船舶橫向、縱向受風(fēng)面積（m2）。

作用在船體上的風(fēng)力計(jì)算結(jié)果見表9。

表9 參考標(biāo)準(zhǔn)AS 3962-2001計(jì)算風(fēng)力

2）Bruce O.編著的《MARINAS and Small Craft Harbors》

作用在船舶上的風(fēng)力計(jì)算基本公式為：

式中：E為船舶橫向、縱向受風(fēng)面積（m2），書中規(guī)定參考圖計(jì)算的受風(fēng)面積乘以 0.33的折減系數(shù)；D為方向系數(shù)，考慮風(fēng)向角 90°，方向系數(shù)D=3.0；S為遮蔽系數(shù)，僅考慮一排船舶?？康那闆r，S=1.0；V為設(shè)計(jì)風(fēng)速，書中建議采用持續(xù)時(shí)間60 s的平均風(fēng)速（m/s）。

作用在船體上的風(fēng)力計(jì)算結(jié)果見表10。

表10 《MARINAS and Small Craft Harbors》公式計(jì)算

上述兩種文獻(xiàn)風(fēng)力的計(jì)算公式物理意義和形式都基本相同，Bruce O.的專著中多考慮了風(fēng)向角和船舶靠泊形式對(duì)風(fēng)力的修正，且考慮風(fēng)速的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，因此計(jì)算結(jié)果略大。

4 結(jié) 語

1）本文通過對(duì)比國(guó)際通用規(guī)范、參考資料中對(duì)漁船的受風(fēng)面積做了較為細(xì)致的總結(jié)，采用多種方法，得到了相對(duì)合理的取值；

2）使用更適合小型船舶的風(fēng)壓力、風(fēng)力計(jì)算公式，作用在船舶上的風(fēng)荷載計(jì)算更為合理。